Les sujets de thèses

Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche en informatique quantique visant à proposer de nouveaux bits quantiques robustes pouvant être interfacés avec les technologies quantiques supraconductrices. Nous explorons les impuretés piégées dans les solides comme des bits quantiques à très longue durée de vie.



Les défauts cristallins des matériaux peuvent être appréhendés comme des ions naturellement piégés dans un environnement cristallin inerte. En raison de leur immobilité et de leur isolement dans le réseau cristallin, les spins électroniques et nucléaires de ces ions présentent d'excellents temps de cohérence, allant de quelques secondes pour les électrons à quelques heures pour les noyaux. Ces systèmes sont donc d'excellents candidats pour le codage d'informations quantiques. Les circuits supraconducteurs constituent l'une des plateformes technologiques les plus abouties en matière de calcul quantique. Les bits quantiques sont codés dans des oscillateurs électromagnétiques artificiels, ils sont facilement contrôlables et intégrables. Cependant, leur temps de cohérence ne dépasse pas quelques centaines de microsecondes et leur fabrication manque de reproductibilité, c'est l'un des principaux obstacles au développement de processeurs de plus de 100 qubits.



Le groupe quantronique, pionnier des circuits supraconducteurs, est engagé dans un projet de recherche à long terme qui vise à interfacer les circuits avec le spin électronique et nucléaire d'un défaut cristallin unique et ainsi combiner la robustesse des éléments naturels avec l'intégrabilité des circuits artificiels. Nous avons récemment démontré pour la première fois la détection et la manipulation d'un spin électronique unique en utilisant un qubit supraconducteur transmon comme détecteur de photons micro-ondes uniques [1,2,3]. Dans cette expérience, le spin unique est transporté par un ion erbium dans un cristal de scheelite présentant un temps de cohérence record de trois millisecondes. Afin d'étendre le temps de cohérence du spin à la deuxième échelle de temps, sa pleine mesure naturelle, nous proposons ici de développer un coupleur supraconducteur accordable, qui peut coupler et découpler le détecteur du spin en quelques dizaines de nanosecondes. Sur la base de ce nouveau coupleur, nous proposons de détecter et de manipuler des spins nucléaires uniques au voisinage de l'ion pour lesquels la cohérence pourrait atteindre des heures.

La physique mésoscopique étudie des systèmes composés de milliards de composantes, et néanmoins se portant comme des entités quantiques uniques. Les nanofils d’isolants topologiques 3D en sont un exemple. Ces derniers abritent sur leur surface des états électroniques à la Dirac, qui à faible température se propagent sous forme d’ondes quantiques cohérentes sur des échelles de plusieurs microns. Leur propriétés de transport sont donc régies par des phénomènes d’interférence quantique. Ces phénomènes sont déterminés et modulés par des champs magnétiques externes ou bien par leur courbure de Berry, comme démontré récemment dans une collaboration avec des expérimentateurs de l'Universitaet Regensburg (Allemagne).



Peu après nous avons également montré que la géométrie d’un nanofil peut dramatiquement changer ses propriétés de transport en présence des champs magnétiques. Un point crucial est que dans des nanofils façonnés les électrons de Dirac se propagent sur une surface courbe, et peuvent donc ressentir des champs gravitationnels effectifs. Ces derniers se manifestent sur des échelles comparables aux échelles quantiques de référence du système, comme dans des trous noirs – sauf qu’un nanofil est réalisable dans un labo, un trou noir pas tout à fait.



Parmi les nombreuses questions ouvertes dans ce domaine en plein croissance, deux en particulier sont centrales pour ce stage: (i) comment les états de surface sont-ils modifiés par la courbure’ (ii) Est-il possible d’identifier une signature dans le transport quantique dûe uniquement aux effets gravitationnels effectifs’ Pour y répondre des méthodes analytiques ainsi que numériques (simulations sur réseau) seront utilisées.